KR101041050B1 - 모터구동제어 - Google Patents

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Abstract

3-상 브러쉬리스 모터의 구동시스템은 모터 상의 인덕턴스를 측정하여 측정된 인덕턴스로부터 위치를 결정하기 위한 알고리즘을 이용한다. 음향성 잡음을 줄이기 위하여 인덕턴스는 테스트주기 T sd 중에 측정되고 이러한 테스트주기는 각 PWM 주기의 PWM 패턴에 부가되는 전도상태이다. 테스트주기는 제로의 순전압을 가지므로서 모터의 출력에 영향을 주지 않으나 인덕턴스측정과 전류검출을 위한 단일전류센서를 이용을 허용할 수 있도록 충분히 길다.
브러쉬리스 모터, 구동시스템, 회전자위치측정, 인덕턴스, PWM 주기.

Description

모터구동제어 {MOTOR DRIVE CONTROL}
본 발명은 모터구동제어에 관한 것으로, 특히 다상 브러쉬리스 모터의 펄스폭변조(PWM)제어에 관한 것이다.
전기모터를 제어하기 위하여서는 회전자가 고정자에 대하여 회전할 때 회전자의 위치를 측정하여 모터권선을 통하여 흐르는 전류를 제어함으로서 요구된 토크를 발생할 수 있도록 하는 것이 필요하다. 이러한 제어는 전용의 위치센서를 이용하여 이루어지거나 위치센서를 이용하지 않는 위치센서리스제어방식을 이용하여 다른 파라메타로부터 위치를 추정함으로서 이루어질 수 있다.
위치센서리스제어방식은 회전자위치를 측정하는 위치센서를 제어기의 위치추정량알고리즘으로 대체함으로서 시스템 코스트를 줄일 수 있다. 이 알고리즘은 인가된 위상 또는 라인-라인 전압, 측정된 위상전압 및 모터구동시스템의 모델을 알고 있는 것을 이용하여 회전자의 위치를 측정한다.
센서리스제어방식을 구현하기 위한 많은 기술이 알려져 있으나 이들은 크게 두 카테고리로 나누어진다. 최고로 확립된 카테고리는 모터의 저속으로부터 최대속도까지 모터위치를 검출하는데 적합한 역기전력검출 알고리즘이다. 역기전력검출 알고리즘은 인가된 전압과 측정된 전압의 알려진 값을 공급하는 모터의 모델을 이용하며 이들 값이 회전자 역기전력을 정확히 측정하여 회전자의 위치를 측정할 수 있도록 한다. 그러나, 이들 알고리즘은 역기전력이 제로속도를 검출하지 못하므로 제로속도로 떨어지는 위치를 검출할 수는 없다.
제2카테고리는 전압인젝션(voltage injection)기술로서 저속과 정지상태에서 회전자위치를 측정할 수 있는 것으로 최근까지 이용되고 있었다. 전압인젝션 알고리즘에 있어서는 알려진 전압신호가 통상적으로 인가되는 위상전압에 겹치게 된다. 이러한 전압신호에 의하여 유도되는 전류의 변화율이 측정되어 위상권선의 순간인덕턴스가 측정될 수 있도록 한다. 모든 3개 상의 순간인덕턴스를 계산함으로서 위치에 따른 인덕턴스변화의 간단한 모델을 기초로 하여 회전자의 위치를 검출할 수 있다. 이들 인덕턴스변화는 회전자 철극성, 회전자 자계에 의한 고정자 톱니팁의 국부적인 포화, 또는 이들의 조합이 그 원인이 될 수 있다. 주입된 전압신호는 유용한 기동토크를 발생하지 않으므로 이는 권선에서 최대"유효"전압을 감소시킨다. 모터의 출력을 떨어뜨리는 것을 방지하기 위하여, 전압인젝션기술은 역기전력검출기술과 조합하여 사용되는 경향이 있다. 전압인젝션기술은 제로로부터 저속(전형적으로 이러한 저속은 기본속도의 10-20%이다)까지 위치정보를 제공하고, 역기전력기술은 도 1에서 보인 바와 같이 저속으로부터 고속까지의 범위에서 위치정보를 제공한다.
전압인젝션기술의 기초가 되는 원리는 다음과 같다. 정전압이 모터의 한 위상에 인가되고 그 결과로서 전류의 변화율이 측정된다. 그리고 부전압이 인가되고 다시 전류의 변화율이 측정된다. 인가된 전압과 측정된 전류의 변화율로부터 알려 지지 않은 역기전력항을 추정하고 이러한 상의 순간인덕턴스를 측정할 수 있다. 모든 3개 상의 순간인덕턴스를 측정함으로서 회전자의 위치가 측정될 수 잇다.
알려진 파형의 한 예가 도 2에 도시되어 있다. 이 파형은 단상의 인덕턴스를 측정하는데 이용된다. 전류의 상승 및 하강변화율을 측정하기 위하여 상전류가 테스트패턴중에 3회 샘플링된다. 테스트패턴이 인가될 때 마다 상이한 상의 인덕턴스가 측정되어 전형적으로 수 ms의 시간이 지난 후에 모든 3개 상의 인덕턴스가 알려지고 위치가 측정될 수 있다.
명백히 이러한 기술에 있어서는 순간적으로 모든 3개 상의 인덕턴스를 측정할 수 없다. 그러나, 새로운 인덕턴스가 측정될 때 마다, 새로운 위치가 계산된다. 이러한 계산은 각 상에 대한 최종 인덕턴스값에 기초하므로 비록 하나의 상이 최근의 인덕턴스측정값을 갖는다 하여도 다른 두 상에 대한 값은 어느 정도 시간이 경과한 값이라 할 수 있다.
이러한 기술이 어느 정도는 만족스럽게 이용될 수 있고 모터 파라메타의 이전정보와 현저히 낮은 계산조건이 없이 위치를 결정할 수 있는 능력과 같은 약간의 잇점을 갖는다. 그러나, 이러한 기술은 일부 명백한 결점을 갖는다. 그 하나의 문제점은 인덕턴스가 동시에 샘플링될 수 없어 위치측정에 약간의 오류가 유도된다는 점이다. 이러한 오류는 d- 또는 q-축 인덕턴스가 자석매입형 모터의 형태인 경우인 작동조건에서 신속히 변화하는 경우 더욱 심하게 된다. 또한 측정 사이의 지연이 다른 시간지연을 시스템의 위치응답으로 도입되게 한다. 이는 다이나믹 구동역량을 감소시키는 바, 이는 특히 서보구동시스템에서 문제가 될 수 있다.
이러한 방식에서 가장 큰 문제점은 음향성 잡음의 발생이다. 1-2ms 마다 PWM 패턴의 중단은 250-500 Hz 범위의 강한 음향을 발생한다. 이러한 시스템의 실질적인 실연에서는 이러한 잡음이 일어날 때 대부분의 자동차분야에서는 허용할 수 없는 것으로 나타났다.
EP 0 856 937에는 활성고정자코일에서 전류의 변화율이 정상적인 PWM 싸이클중에 측정되고 회전자위치를 측정하는데 이용되는 모터위치검출시스템이 기술되어 있다.
본 발명은 다수의 상으로 구성되는 다상 브러쉬리스 전기모터를 위한 구동시스템을 제공하는 바, 이 시스템이 각 상에 인가되는 상전압을 변화시기 위한 스위칭수단과, 모터의 기계적인 출력을 제어하기 위하여 상전압의 PWM 제어가 이루어지도록 스위칭수단을 제어하고 테스트주기를 포함하도록 PWM 전압패턴을 제어하며 테스트주기중에 적어도 하나의 상에서 전류의 변화율을 측정하고 이로부터 적어도 하나의 상의 인덕턴스를 측정하여 모터의 회전위치를 측정할 수 있도록 하는 제어수단으로 구성된다.
제어수단은 적어도 한쌍의 테스트주기를 한정하여 한 테스트주기 쌍에서 상전압이 다른 테스트주기 쌍의 상전압과 반대가 될 수 있도록 구성되고 제어수단이 테스트주기 쌍에서 측정된 전류로부터 상의 하나의 인덕턴스를 측정할 수 있게 되어 있다. 이는 테스트전압이 제로인 순효과(net effect)를 가지며 출력발생전압을 측정하기 위한 알고리즘이 현저히 수정될 필요가 없음을 의미한다.
통상적으로, 어느 한 PWM 주기중에, 전압이 기동토크에 부가되지 않을 것이므로 이러한 전압이 반전되는 주기는 나타나지 않는다. 따라서, 통상적으로, 전압이 요구된 출력토크를 발생할 때 출력발생주기에 부가하여 PWM 주기내에 다른 주기로서 테스트주기를 부가하는 것이 필요하다. 따라서, 테스트주기는 출력발생주기 사이에 나타날 것이다.
테스트주기의 쌍이 동일한 PWM 주기에 모두 제공되는 것이 좋다..
제어수단은 단일 PWM 주기에서 모든 상의 인덕턴스를 측정할 수 있게 구성될 수 있다. 이와 같은 경우에 있어서, 제어수단은 스위칭수단을 요구된 모터출력을 발생하기 위하여 한 PWM 주기에서 다수의 출력발생주기중에 다수의 도통상태와 상기 테스트주기중의 다수의 도통상대로 스위칭하여 테스트주기가 충분한 길이를 갖도록 함으로서 출력발생주기와 테스트주기가 전체 PWM 주기를 차지할 수 있도록 하는 것이 좋다.
또한 제어수단은 모터가 3상인 경우 단일 PWM 주기에서 상 일부만의 인덕턴스를 측정할 수 있게 구성될 수 있고, 제어수단은 단일 PWM 주기에서 단 두개의 상의 인덕턴스를 측정할 수 있도록 구성될 수 있다. 이와 같은 경우에 있어서, 모터의 어느 위치에서 두 쌍이 3개 상으로부터 선택되어 인덕턴스가 측정됨으로서 PWM 주기가 비도통상태를 포함할 수 있으며, 제어수단은 한 PWM 주기에서 한 쌍의 인덕턴스를 측정하고 다음의 PWM 주기에서 다른 쌍의 인덕턴스를 측정할 수 있도록 구성되는 것이 좋다. 또한 제어수단은 연속한 PWM 주기에서 상기 쌍의 상 사이의 인덕턴스를 교대로 측정할 수 있도록 하는 것이 좋다.
또한, 제어수단은 어느 한 PWM 주기에서 단 하나의 상에서 인덕턴스를 측정할 수도 있다.
제어수단은 인덕턴스가 측정되는 상을 변화시켜 다수의 PWM 주기를 통하여 모든 상의 인덕턴스가 측정될 수 있도록 할 수 있다.
제어수단은 적어도 하나의 상의 인덕턴스측정을 허용하도록 제1 PWM 주기에서 제1 PWM 패턴과, 제1 PWM 주기에서 측정되지 않은 적어도 하나의 상의 인덕턴스측정을 허용하도록 제2 PWM 주기에서 제2의 다른 PWM 패턴을 제공하고, 제1 및 제2 주기 사이의 PWM 주기에서 적어도 하나의 중간 PWM 패턴을 발생할 수 있게 되어 있으며, 중간패턴은 그 형상이 제1 및 제2 패턴 사이의 중간이다. 이는 음향 노이즈를 감소하는데 도움이 될 수 있다. 제어수단은 중간 PWM 주기에서 상의 인덕턴스를 측정하지 않도록 구성되어야 한다.
제어수단은 각 PWM 주기에서 모터의 위치를 측정할 수 있도록 하는 것이 좋다. 통상적으로, 제어수단은 각 상에 대한 인덕턴스의 최종측정값을 기초로 하여 모터의 위치를 측정할 수 있게 되어 있다.
어떤 경우에 있어서, 제어수단은 인덕턴스가 모터의 회전중에 진동할 때 한 상의 인덕턴스의 평균값과 피크값을 측정하고, 이러한 상의 순간인덕턴스를 측정하며, 인덕턴스의 편균 및 피크값과 순간값으로부터 모터의 위치를 측정할 수 있도록 하는 것이 좋다. 이와 같은 경우에 있어서, 동일 쌍의 주전압(primary voltage)으로부터 발생될 수 있는 모든 요구된 전압에 대하여 동일한 두 상의 인덕턴스가 측정되고, 요구된 전압이 변화하여 상이한 쌍의 주전압이 요구되고 상이한 쌍의 인덕턴스가 측정될 때, 모든 상의 최종측정된 인덕턴스의 값이 인덕턴스의 평균 및 피크값을 측정하는데 사용되는 것이 좋다.
또한 본 발명의 시스템은 테스트주기중 상의 전류를 측정할 수 있게 된 단일전류센서로 구성된다. 이와 같은 경우에 있어서, 제어수단은 전류센서를 이용하여 각 PWM 주기에서 두 상의 전류크기를 측정하여 모든 상의 전류를 측정할 수 있도록 구성된다. 더욱이, 테스트주기는 각각 충분히 길어서 전류센서에 의하여 한 상의 전류크기가 측정될 수 있도록 하는 것이 좋다.
또한, 시스템은 각각 각 상의 전류를 측정하기 위한 다수의 전류센서를 포함할 수 있다.
각 PWM 주기에서 단 하나의 상 인덕턴스가 측정되는 시스템의 경우, 제어수단은 상기 스위칭수단을 도통상태 및 비도통상태의 두 도통상태들 간에 스위칭함으로써 발생될 수 있는 일단의 요구전압을 한정하도록 구성되고, 상기 도통상태들 중의 적어도 하나에서 요구된 시간은 전류의 크기를 측정할 수 있는데 불충분하고, 이들 요구된 전압에 대하여 순전압이 제로인 추가 테스트주기와, 상기 상들 중의 하나에서 전류 크기가 측정될 수 있을 만큼의 충분한 길이를 부가하는데 불충분한 것이 좋다. 이러한 추가 테스트주기는 일부의 PWM 주기에만 부가된다. 더욱이, 여분의 테스트주기는 인덕턴스측정주기와 출력발생주기가 한 상에서 전류의 크기가 측정될 수 있도록 하나의 PWM 주기내의 각각의 두 도통상태에서 충분한 시간을 제공하지 않을 때에만 부가되는 것이 좋다.
시스템은 전류센서와 이 전류센서로부터의 출력을 미분하여 상 인덕턴스를 측정하기 위한 미분기를 포함한다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 위치검출을 위한 종래의 두 방법이 사용된 경우 모터속도를 보인 설명도.
도 2는 전기모터의 한 상의 인덕턴스를 측정하기 위하여 이용된 종래의 전압파형을 보인 설명도.
도 3은 본 발명에 따른 전기모터의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 모터의 구동회로도.
도 5는 도 1의 모터에서 회전자 각도에 따른 상 인덕턴스의 변화를 보인 설명도.
도 6은 도 1에서 보인 모터의 한 상의 단순화된 회로모델을 보인 설명도.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 외부자석회전자를 보인 설명도.
도 8은 도 4의 시스템에서 제어회로의 8 가지 상태를 보인 설명도.
도 9는 도 4의 시스템에 이용된 테스트전압 패턴을 보인 공간벡터 다이아그램.
도 10은 도 9에서 보인 테스트전압패턴으로부터 얻는 상전압과 센서출력을 보인 설명도.
도 11은 도 4의 시스템에 이용된 테스트전압 다른 패턴을 보인 공간벡터 다이아그램.
도 12는 도 11에서 보인 테스트전압패턴으로부터 얻는 상전압과 센서출력을 보인 설명도.
도 13a는 도 4의 시스템에서 3-상 인덕션측정을 위하여 사용된 테스트전압의 다른 패턴을 보인 공간벡터 다이아그램.
도 13b는 도 13a의 패턴으로부터 얻는 상전압을 보인 설명도.
도 13c는 도 13a의 패턴으로부터 얻는 상태를 요약한 도표.
도 14a는 도 4의 시스템에서 2-상 인덕션측정을 위하여 사용된 테스트전압의 다른 패턴을 보인 공간벡터 다이아그램.
도 14b는 동 결과를 요약한 도표
도 15a는 도 4의 시스템에서 2-상 인덕션측정을 위하여 사용된 테스트전압의 다른 패턴을 보인 공간벡터 다이아그램.
도 15b는 동 결과를 요약한 도표
도 16a는 도 4의 시스템에서 2-상 인덕션측정을 위하여 사용된 테스트전압의 다른 패턴을 보인 공간벡터 다이아그램.
도 16b는 동 결과를 요약한 도표
도 17a는 도 4의 시스템에서 단상 인덕션측정을 위하여 사용된 테스트전압의 다른 패턴을 보인 공간벡터 다이아그램.
도 17b는 동 결과를 요약한 도표
도 18a는 도 4의 시스템에서 단상 인덕션측정을 위하여 사용된 테스트전압의 다른 패턴을 보인 공간벡터 다이아그램.
도 18b는 동 결과를 요약한 도표
도 19a는 도 4의 시스템에서 단상 인덕션측정을 위하여 사용된 테스트전압의 다른 패턴을 보인 공간벡터 다이아그램.
도 19b는 동 결과를 요약한 도표
도 20은 인덕턴스와 전류검출이 2-상 인덕션측정구성에서 다른 전압벡터의 부가를 필요로 하는 것을 보인 공간벡터 다이아그램의 영역을 보인 설명도.
도 21은 도 4의 시스템에서 회전자위치를 측정하는 방법을 설명하는 설명도.
도 22는 도 4의 시스템에서 회전자위치를 측정하는 다른 방법을 설명하는 설명도.
도 23은 도 21의 방법에서 측정된 상 인덕턴스와 위치측정에서 추정된 오류를 설명하는 설명도.
도 24a-도 24d는 PWM 패턴의 변화가 도 14a와 도 15a의 패턴 사이의 전환으로 2-상 인덕턴스 측정방법에서 제어되는 것을 보인 설명도.
도 25는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 인덕턴스측정을 위한 다른 전류회로를 보인 회로도.
시스템의 개요
도 3에서 예를 든 3상 브러쉬리스 모터(1)는 예를 들어 6개의 자석이 매입된 회전자(2)로 구성되며 이러한 경우에 있어서 회전자는 회전자의 둘레에 N극과 S극이 교대로 배열되는 6극을 갖는다. 따라서, 회전자는 회전자의 둘레에 일정한 간격으로 3개의 직접축(direct axe), 즉 d축과 이들 d축 사이에 위치하는 직각축(quadrature axe), 즉 q축을 갖는다. d축은 자석의 자극과 정렬되어 회전자로부터의 자속라인이 방사상 방향으로 향하고, q축은 d축 사이에 놓여 있어 회전자로부터의 자속라인이 접선방향으로 향하게 되어 있다.
고정자(6)는 3개 톱니(8A)(8B)(8C)의 3개 그룹을 갖는 9개 슬롯의 동선권취요소로 구성되고 톱니의 각 그룹은 각 상을 형성하는 공통의 권선을 갖는다. 따라서, 회전자의 1회 회전 마다 전기적인 싸이클은 3개이고, 어느 상에서 3개 톱니(8A)(8B)(8C)는 매 경우 항상 동일한 전기적인 위치에 놓인다.
도 4에서, 상 A, B, C로 나타낸 3개의 모터권선(12)(14)(16)은 성형(星形)으로 연결되어 있다. 상 권선은 각각 고정자 톱니(8A)(8B)(8C)의 둘레에 감겨 있다. 각 권선의 일측단부(12a)(14a)(16a)는 각 단자(12c)(14c)(16c)에 연결된다. 권선의 타측단부(12b)(14b)(16b)는 함께 연결되어 성형 결선점(17)을 형성한다. 구동회로는 3개의 상 브릿지(18)로 구성된다. 이 브릿지의 암(20)(22)(24)은 급전선(30)과 접지선(32) 사이에 직렬로 연결된 상부 트랜지스터(26)와 하부 트랜지스터(28)의 형태인 한쌍의 스위치로 구성된다. 모터권선(12)(14)(16)은 상호 보상적인 쌍의 트랜지스터(26)(28) 사이에 연결되어 있다. 이들 트랜지스터(26)(28)는 각 단자(12c)(14c)(16c)에 펄스폭변조 전위가 인가되어 각 권선(12)(14)(16)에 인가된 전위차를 제어하고 권선을 통하여 흐르는 전류를 제어할 수 있도록 제어기(33)에 의하여 제어되어 ON 또는 OFF된다. 이는 다시 권선에 의하여 발생된 자계의 강도와 방향을 제어한다.
저항의 형태인 전류센서(34)가 모터(1)와 접지 사이의 접지선(32)에 제공되어 제어기(33)가 모든 권선(12)(14)(16)을 통하여 흐르는 전체 전류를 측정할 수 있다. 각 권선의 전류를 측정하기 위하여, 전체 전류는 권선의 각 단자에 인가된 전압(즉 어느 특정한 상의 도통상태)이 알려진 PWM 주기내의 정확한 순간에 샘플링되어야 한다. 전류의 변화율을 측정할 수 있게 된 di/dt 센서인 다른 센서(36)가 전류센서(34)와 직렬로 접지선(32)에 제공된다. 이러한 di/dt 센서(36)는 이후 상세히 설명되는 바와 같이 상의 인덕턴스, 그리고 이에 따라 회전자의 위치를 측정하는데 사용된다.
도 3으로부터 회전자(3)의 인덕턴스는 고정자 아이언과 회전자 백 아이언 사이의 에어갭이 위치에 따라 변화함으로서 회전자 위치에 따라 고정자 자속 릴럭턴스의 변화를 보이므로 전기적인 위치에 따라서 변화함을 알 수 있을 것이다. 각 3개의 상 A, B, C의 인덕턴스 변화는 도 5에 도시되어 있다.
도 7에서, 표면자석 회전자(60)에서 자석(62)은 회전자 코어(64)의 표면에 착설되어 회전자 위치에 따라 인덕턴스의 변화를 보이는 회전자 돌극(rotor saliency)이 거의 없다. 그러나, 자석(62)의 하나가 고정자 톱니(66)를 통과할 때 자석의 모서리(70)에 근접한 고정자 톱니에서 국부적인 자기포화가 일어나 고정자 권선의 인덕턴스를 변화시킨다. 따라서, 이는 위치에 따른 인덕턴스의 규칙적인 변화가 일어나도록 하므로서 상기 언급된 바와 같이 회전자 위치를 측정하기 위하여 내부자석 회전자에서 일어나는 것과 동일한 방식으로 이용될 수 있다.
회전자 위치에 따라서 상 인덕턴스는 예상가능하고 일관된 변화를 보이므로 회전자 위치는 알려진 상 인덕턴스로부터 정확히 측정될 수 있다. 영구자석(PM) 모 터에 있어서, 어느 특정한 상에 대한 인덕턴스는 일반적으로 q-축이 상과 정렬될 때 가장 높고 d-축이 상과 정렬될 때 가장 낮다. 따라서, 인덕턴스는 전기주파수의 두배 빠르기로 변화하여 상 인덕턴스등식은 180 전기각도 만큼 떨어진 두 회전자 위치를 산출해낼 것이다. 시스템은 이들 두 위치가 정확한 것임을 결정할 필요가 있다. 적당한 한가지 방법은 정부(正負)의 큰 테스트전류를 인가하고 그 결과의 인덕턴스측정값에서 국부적인 자기포화의 효과를 비교함으로서 초기에 자극을 측정하는 것이다. 이러한 과정이 수행될 때마다 자극이 알려지고 회전자 위치가 항상 유일하게 측정될 수 있다.
도 5에서 보인 모터의 모델은 상 인덕턴스가 그 최대값 Lq 로부터 그 최소값 Ld 으로 위치에 따라 정형파형으로 변화하는 것으로 가정한다. Ld 과 Lq 는 회전자의 직접축 및 직각축이 측정되는 상의 고정자 축과 정렬될 때 상 인덕턴스를 나타낸다.
도 5에서 보인 인덕턴스의 변화는 길이 L0 와 ΔL 의 두 역회전벡터의 합으로서 복합좌표에 나타낼 수 있다. 여기에서 L0 는 평균인덕턴스이고 ΔL 는 1회전을 통한 인덕턴스의 피크-피크의 반, 즉 인덕턴스변화의 진폭이다. L0 > ΔL 인 경우, 이들은 다음과 같이 정의된다.
Figure 712011001180417-pct00058
(1a),(1b)
Figure 712011001180417-pct00059
주어진 회전자각도 L(θ) 에서 인덕턴스는 다음과 같이 두 복합역회전벡터의 합의 실수부분이다.
Figure 712011001180417-pct00060
(2)
이는 다음과 같이 재정렬될 수 있다.
Figure 712011001180417-pct00061
(3)
따라서, 상 A, B, C에서 측정된 상 인덕턴스는 다음과 같다.
Figure 712011001180417-pct00062
Figure 712011001180417-pct00063
(4)
Figure 712011001180417-pct00064
이를 다시 쓰면 다음과 같다.
Figure 712011001180417-pct00065
Figure 712011001180417-pct00066
(5a)-(5c)
Figure 712011001180417-pct00067
이러한 관계는 도 5에서 설명되고 있다. 만약 3개의 상 인덕턴스가 알려지는 경우, 3개의 알려지지 않은 변수, 즉 회전자각도 θ, 평균인덕턴스 L0 와, 피크인덕턴스 ΔL 이 결정될 수 있다.
L0 는 다음 식으로부터 구할 수 있다.
Figure 712011001180417-pct00068
(6)
ΔL 과 θ는 먼저 파크스변환(Parkes transform)을 이용하여 α와 β프레임 인덕턴스를 계산함으로서 구할 수 있다.
Figure 712011001180417-pct00069
(7)
그리고 ΔL 은 다음과 같고
Figure 712011001180417-pct00070
(8)
θ는 다음과 같다.
Figure 712011001180417-pct00071
(9)
여기에서, n 은 각도가 유일하게 결정될 수 없기 때문에 나타내고 상기 언급된 기동루틴을 이용하여 결정될 수 있는 임의의 정수이다.
상 인덕턴스 온라인의 측정
상 인덕턴스는 정부의 테스트전압에 응답하여 상에서 전류의 변화율을 측정함으로서 결정된다. 이는 시스템등식으로부터 역기전력항을 삭제함으로 확고한 기술이며, 만약 이러한 항이 삭제되지 않으면 정확한 측정이 어렵고 측정오류를 보이게 될 것이다.
하나의 상에서 인덕턴스를 측정하기 위하여 다음의 단계를 거친다.
1. 전류의 상승변화율 di 1 /dt 를 측정하기 위하여 충분한 시간동안 상에 정전압 +V 를 인가한다.
2. 전류의 하강변화율 di 2 /dt 를 측정하기 위하여 충분한 시간동안 상에 부전압 -V 를 인가한다.
도 6은 구동회로에서 한 상의 간단한 회로모델을 보인 것으로, 인가전압 V(t), 상 인덕턴스 L ph , 그리고 모터 역기전력 e 를 나타내고 있다.
테스트전압으로 정전압이 인가될 때,
Figure 712011001180417-pct00072
(10)
테스트전압으로 부전압이 인가될 때,
Figure 712011001180417-pct00073
(11)
전류 i 1 과 i 2 의 평균값이 전 샘플링주기동안 실질적으로 동일하고 이들의 차 (i 1 - i 2 )가 작으므로, 저항부분은 무시될 수 있다. 따라서 식(10)으로부터 식(11)을 빼서 재정렬하면 상 인덕턴스는 다음과 같다.
Figure 712011001180417-pct00074
(12)
따라서, 순간 상 인덕턴스는 인가된 전압과 측정된 전류변화율만으로 결정된다.
제어기(33)는 이후 상세히 설명되는 바와 같이 모터의 출력토크를 제어하기 위하여 펄스폭변조(PWM)를 이용하여 상 A, B, C에 인가되는 전압을 제어할 수 있게 되어 있다.
도 8에서, 3상 시스템의 각 권선(2)(4)(6)은 급전선(20) 또는 접지선(22)에만 연결될 수 있게 되어 있어 제어회로의 상태는 8개가 된다. 상의 하나가 정전압일 때를 나타내기 위하여 이를 1 이라 하고 상이 접지될 때를 0 라 할 때, 상태 1은 상 A가 1이고 상 B가 0이며 상 C가 0임을 나타내는 [100]으로 나타낼 수 있다. 상태 2는 [110], 상태 3은 [010], 상태 4는 [011], 상태 5는 [001], 상태 6은 [101], 상태 0은 [000], 그리고 상태 7은 [111]로 나타낸다. 각 상태 1-6은 전류가 모든 권선(2)(4)(6)을 통하여 흐르고 이들 중 하나를 통하여 일측방향으로 흐르며 다른 둘을 통하여서는 반대방향으로 흐르는 도통상태이다. 상태 0는 모든 권선이 접지선에 연결된 제로볼트상태이고 상태 7은 모든 권선이 급전선에 연결된 제로볼트상태이다.
여기에서, 상태 1, 2, 3, 4, 5 및 6은 이들이 각각 권선에 인가된 전압이 각 상에 대하여 정 또는 부 방향인 상태를 나타내므로 상태 +A, -C, +B, -A, +C 및 -B라 할 수 있다. 예를 들어 +A 상태에서 A 상은 급전선에 연결되고 다른 두 상은 접지선에 연결되며, -A 상태에서 이들 연결은 바뀐다.
회로가 펄스폭변조를 위하여 제어될 때, 정상적으로 각 상은 각 PWM 주기마다 ON 및 OFF될 것이다. 각 상태에서 차지하는 시간의 상대길이는 각 권선에서 발생된 자계의 크기와 방향 그리고 이에 따라 회전자에 가하여지는 전체 토크의 크기와 방향을 결정할 것이다. 이들 시간의 길이는 다양한 변조알고리즘에 의하여 계산될 수 있으나 이 실시형태에서는 공간벡터변조기술이 이용된다.
전압테스트패턴의 적용
각 상에 대한 정부 인덕턴스 측정전압이 결합된 전압테스트패턴은 인가된 PWM 전압패턴에 특별한 비-제로상태를 삽입함으로서 3-상 PWM 파형에 결합된다. 이러한 기술은 통상적으로 공간벡터변조(SVM: Space Vector Modulation)을 이용하여 설명되나 이러한 기술을 구현하기 위하여 다른 PWM 변조방식이 적용될 수 있다.
도 9에서, 상태벡터변조시스템에서, 각 상태에서 소비된 각 PWM 주기의 시간은 상태벡터변조(SVM:State Vector Modulation) 다이아그램에서 상태벡터로 나타낼 수 있다. 이러한 형태의 다이아그램에서, 단일상태벡터는 벡터 S1-S6의 방향의 벡터이고, 이들 각 방향에서 벡터의 길이는 각 상태에서 소비된 각 PWM 주기에서 시간의 양을 나타낸다. 이는 권선에서의 요구된 전압이 전압의 크기와 방향을 나타내는 전압벡터에 일치하는 다이아그램상의 한 지점으로 나타낼 수 있고 그 길이가 이러한 상태에서 소비된 각 PWM 주기의 시간을 나타내는 상태벡터 s1, s2 등의 조합에 의하여 발생될 수 있음을 의미한다.
전형적인 테스트패턴
권선에 인가되는 테스트전압을 나타내는 테스트벡터의 예가 도 9에 도시되어 있다. 여기에서, 두 쌍의 테스트벡터가 적용되어 두 상(이와 같은 경우 A 와 C)의 인덕턴스가 동시에, 즉 동일한 PWM 주기에서 측정될 수 있도록 한다. 이는 패턴이 정부의 상 A 벡터와 정부의 상 C 벡터로 구성됨을 알 수 있다. 만약 이들 벡터가 동일한 길이인 경우, 즉 상태 1과 4 그리고 각 상태 2와 5에서 소비된 시간이 동일한 경우, 테스트벡터로부터의 순전압(net voltage)은 제로가 될 것이다.
전류의 변화율을 측정하기 위하여, 처리할 센서와 이에 관련된 회로와, 얻고자 하는 판독값을 위하여 유한시간이 요구된다. 상전류의 변화율(di/dt)을 측정하기 위하여 요구된 최소시간은 T sd 로서 정의된다. 따라서, 각 벡터는 도 9에서 보인 바와 같이 최소길이 T sd 이어야 한다.
Tsd 를 가능한 한 작게 유지하기 위하여, 상기 언급된 바와 같이 별도의 전류변화율(di/dt) 센서(36)가 사용된다. 이로써 전류변화율은 1회의 판독으로 결정될 수 있다. 반면에, 전류센서의 경우에는 이러한 정보를 얻기 위해서는 2회 샘플링되어야 한다.
도 9에서 보인 테스트벡터는 또한 상전류가 DC 링크의 대지귀로(ground return)에서 단일전류센서(34)를 이용하여 측정될 수 있도록 함을 보이고 있다. 여기에서 단일센서시스템에서 전류를 측정하는데 요구된 최소상태시간은 Tsi 로서 정의되고, 모든 3개 상에서의 전류를 측정하기 위하여 서로 반대되지 않는 적어도 2개 도통상태에서의 전류가 측정되어야 한다. 따라서, 2개 상으로부터의 최소길이 Tsi 의 2개 비-제로벡터가 있으면, 상전류는 단일 PWM 주기에서 결정될 수 있다.
도 10은 도 9의 상태벡터를 얻기 위한 전형적인 PWM 패턴을 보인 것이다. 링크-리턴 전류센서(34)와 링크-리턴 di/dt 센서(36)에 대하여 예상될 수 있는 전형적인 출력이 역시 도시되어 있다. 모든 상전압은 하이-로-하이로 진행된다. 3개의 비도통상태의 주기(상태 0에서 2개, 상태 7에서 1개)와 4개의 도통상태 1, 2, 4 및 5가 있다. 도통상태중에 전류변화율 di/dt 는 전류가 일정한 비율로 상승하므로 실질적으로 일정하다. 전류크기센서 di/dt 센서 샘플링포인트는 각 도통상태주기의 종료를 향하며 여기에서 이들은 상태 사이의 스위칭 후에 전류가 결정될 수 있도록 한다.
인가전압패턴에 대한 테스트패턴의 조합
도 9와 도 10은 제로의 변조지수에 대하여 적용된 테스트전압벡터를 보이고 있다. 변조지수가 제로보다 큰 경우, 테스트벡터는 상전류를 발생하는 전압 요구벡터에 중첩되어야 하며 이들 벡터는 모터로부터 요구된 출력토크를 발생하도록 계산된다. 이러한 전형적인 예가 도 11의 공간벡터 다이아그램에 도시되어 있다. 요구상태 벡터 v는 2개의 1차상태벡터 +A 및 -C로 구성되며, 4개의 테스트주기벡터는 각각 길이가 Tsd 이다. 이 경우, 전형적인 PWM 패턴과 센서 출력은 도 12에 도시되어 있다.
도 11로부터 요구벡터에 테스트벡터가 중첩됨으로서 '유용한' 전압을 발생하기 위한 PWM 주기에서 유용한 시간을 4T sd 만큼 감소시킴을 알 수 있을 것이다.
상이한 형태의 테스트벡터패턴의 분석
도 11과 도 12의 예는 두 상 인덕턴스를 동시에, 즉 동일한 PWM 주기에 측정하기 위하여 정상적인 PWM 파형을 적용하는 방법을 보인 것이다. 그러나, PWM 파형은 각각 상이한 결과를 갖는 하나, 둘 또는 세개의 인덕턴스를 측정하는데 이용될 수 있다.
3개의 인덕턴스를 동시에 측정하기 위한 테스트벡터패턴
도 13a는 3개의 모든 인덕턴스를 동시에 측정하는데 요구된 테스트벡터를 보이고 있다. 다시 요구전압은 두개의 벡터 +A 및 -C로 구성되며 각각 길이가 Tsd 인 테스트전압벡터가 6개이고 이러한 6개의 테스트벡터는 6개의 1차벡터 +A, -A, +B, -B, +C, -C의 각각의 하나로 구성되며 제로의 순전압(net voltage)을 발생한다. 명백한 것은 모든 6개의 비-제로 벡터가 필요하며, 유용한 전압을 발생하기 위한 유용한 시간은 6Tsd 만큼 감소된다.
도 13b는 이들 벡터를 얻기 위하여 하나의 PWM 주기 동안 한 전형적인 PWM 패턴을 보인 것이며, 도 13c는 이에 상응하는 상태를 요약하여 보인 것이다. 이는 PWM 패턴이 통상적이지 않은 두 특징을 가짐을 보이고 있다. 첫째로, 제로볼트상태벡터를 적용할 수 없어 제로볼트상태는 각 테스트벡터의 크기를 증가시키는 것으로 대체되어야 하며, 이들의 순제로값을 유지하기 위하여 각 반대쌍의 테스트벡터는 동일한 길이로 유지된다. 둘째로, 상중에서 하나의 작동이 다른 두 상과는 반대가 되어야 한다. 환언컨데, 두 상을 위한 하이측 트랜지스터의 상태가 PWM 주기에서 로-하이-로로 진행하나, 제3의 상에서는 이들이 하이-로-하이로 진행할 것이다. 비록 이들 특징이 통상적인 것이 아니라 하더라도 이들은 물리적으로 가능하고 실제의 시스템에서 이를 구현하는 것이 가능하다.
제로데드타임을 갖는 이상적인 경우를 가정할 때, 피크 상전압의 비율이 3개 상의 순간 상 인덕턴스를 측정하는 동안에 인가될 수 있는 DC 링크전압의 반에 기초하는 것으로 정의되는 최대변조지수 m max 는 다음과 같다.
Figure 712011001180417-pct00075
(15)
여기에서 T p 는 PWM 주기이다.
T sd 와 T si 가 PWM 주기의 10%인 전형적인 시스템에 있어서, 이는 이론적인 최대변조지수가 0.46이 되도록 한다. 명백한 것은 실제의 경우에 있어서 인터록 지연(데드타임)의 효과가 이러한 지수를 어느 정도 줄일 수 있도록 고려되어야 한다.
3-상 인덕턴스 측정방식의 주요잇점은 각 PWM 주기에서 회전자 위치를 정확히 측정할 수 있도록 하는 것이다. 주요결점은 최대변조지수가 크게 제한되고 매우 비정상적인 PWM 패턴을 발생한다는 것이다.
동시에 두 인덕턴스를 측정하기 위한 테스트벡터패턴
2-상 측정패턴(도 11을 참조하여 상기 언급된 하나와 같은 것)은 테스트패턴을 발생할 때 소비된 시간의 양을 4T sd 로 줄인다. 단일 PWM 주기에서 단 두개의 상이 측정되므로 측정될 수 있는 상이한 벡터쌍의 조합은 3개이다. 각 조합은 전압요구가 있는 SVM 벡터공간의 섹터에 따라 상이한 3개의 패턴을 보일 것이다. 일부 패턴은 다른 것 보다 얻기가 쉽다.
도 14a는 상태벡터 다이아그램의 섹터 1에 대한 패턴 I을 보이고 있으며, 도 14b는 이에 상응하는 상태요약을 보이고 있다. 이는 4개의 비-제로 상태벡터로 구성되고 이것이 이러한 섹터에 대한 두개의 기본적인 상태벡터와 이들의 반대가 되는 것으로만 구성되므로 어느 특정한 섹터에 대한 자연적인 패턴이다.
도 15a는 패턴 II를 보이고 있다. 이는 5개의 비-제로 상태벡터로 구성되고 인접한 섹터로부터의 상태를 포함한다. 패턴 I과는 상이하게, 제로-상태벡터 7이 이용될 수 없으며 제로-상태벡터 0를 얻을 수 있으므로 이는 실제의 구현문제를 제시하는 것은 아니다.
도 16a는 패턴 III를 보이고 있다. 역시 이것도 5개의 비-제로 상태벡터로 구성되나 이 경우에 있어서 유용한 제로-벡터는 벡터 7 뿐이다. 이러한 패턴이 갖는 주요문제점은 3개 상 인덕턴스를 측정하기 위한 패턴의 경우와 같이, 그 결과의 PWM 파형의 한 상이 로-하이-로 보다는 하이-로-하이로 진행하여야 한다.
실제의 해결방법은 패턴 I 및 II 만을 이용하는 것이다. 두 패턴 사이의 신속한 교차에 의하여 모든 3개의 상 인덕턴스가 결정될 수 있다. 표 1은 패턴이 상태벡터 다이아그램의 각 섹터에서 상측정을 위하여 선택되어야 하는 것을 보이고 있으며, 섹터는 도 9에서 보인 바와 같다.
[표 1]
섹터
패턴 I
패턴 II		 1 2 3 4 5 6
AC BC AB AC BC AB
BC AC AC AB AB BC
제로 인터록지연이라고 가정할 때, 어느 패턴에서 두 상 인덕턴스 측정값에 대한 최대변조지수는 다음과 같다.
Figure 712011001180417-pct00076
(16)
T sd 와 T si 가 PWM 주기의 10%인 상기 언급된 전형적인 시스템에 있어서, 이는 최대변조지수가 0.69이 되도록 한다.
2-인덕턴스 측정기술은 최대변조지수를 유용하게 현저히 증가시킨다. 발생된 PWM 패턴은 표준형의 단일전류센서패턴과 매우 유사하고 비교적 발생이 용이하다. 패턴 I 과 II 사이의 신속한 스위칭에 의하여, 모든 3개의 상 인덕턴스가 측정될 수 있다. 더욱이, 하나의 상이 위치추정의 정확성을 개선하기 위하여 두번 측정된다는 사실로부터 야기되는 용장성을 개발할 수 있다.
하나의 인덕턴스를 측정하기 위한 테스트벡터패턴
도 17a와 도 17b는 벡터공간의 섹터 1에서 하나의 상인 상 A에서만 인덕턴스를 측정하기 위한 상태벡터 다이아그램과 상태요약을 보인 것이다. 도 18a와 도 18b는 상 B에 대한 동일한 다이아그램이고 도 19a와 도 19b는 상태 C에 대한 것이다. 상 A와 C에 대하여, 인덕턴스는 PWM 패턴에 대하여 어떠한 제한없이 측정될 수 있다. 그러나, 상 B에 대하여, 패턴은 제로상태 공간벡터 7을 포함할 수 없으나 이 역시 주요 구현문제를 포함하여서는 아니된다. 일반적으로, 어느 주어진 섹터에서, 정부의 벡터가 이러한 섹터에 인접하여 놓이지 않는 상의 인덕턴스를 측정하는데 요구된 패턴은 상태벡터 7을 포함하지 않을 것이다.
테스트패턴이 하나의 상을 위한 테스트벡터만을 포함하므로 PWM 파형에서 충분한 시간동안 두 상전류를 측정할 수 있는 것이 더 이상 보장될 수 없다. 예를 들어 도 17a의 예에서 -C 벡터가 Tsi 보다 작은 경우 상 A의 전류만이 상 A의 인덕턴스가 측정되는 PWM 주기동안에 측정될 수 있다. 도 18와 도 19a에서, 상 B와 상 C의 인덕턴스가 측정되는 동안에, 만약 벡터 +A가 Tsi 보다 길다면 두 상의 전류가 측정될 것이다. 따라서, 단일전류센서 전류측정을 성공적으로 수행하기 위하여서는 어느 섹터의 영역에서 단일전류검출에 요구된 두 상전류중의 하나를 측정하기 위하여 충분한 시간을 포함하도록 길이 Tsi 의 여분의 테스트벡터를 부가하는 것이 필요하다. 이를 적용할 수 있는 영역이 도 20에 도시되어 있다. +A 또는 -A 1차벡터의 Tsi 내의 영역에서 상 A의 인덕턴스를 측정할 때 여분의 테스트벡터가 필요하고, +B 또는 -B 1차벡터의 Tsi 내의 영역에서 상 B의 인덕턴스를 측정할 때 여분의 테스트벡터가 필요하며, +C 또는 -C 1차벡터의 Tsi 내의 영역에서 상 C의 인덕턴스를 측정할 때 여분의 테스트벡터가 필요함을 알 수 있을 것이다. 두 상벡터의 Tsi 내에 있는 상 다이아그램의 중심에 근접하는 영역에서는 여분의 테스트벡터가 충분한 단일센서 전류측정을 유지하는 동안에 두 인덕턴스를 측정하는데 요구될 것이다.
또한 도 20은 하나의 상 인덕턴스와 두 상전류가 동시에 측정될 수 있는 테스트벡터를 위한 연산의 제한을 보이고 있다. 따라서, 제로 인터록지연에 대한 최대변조지수는 다음과 같다.
Figure 712011001180417-pct00077
(16)
여기에서 함수 min{x, y}는 x와 y 보다 작은 한 순환한다.
상기 언급된 전형적인 시스템에서 T sd 와 T si 가 PWM 주기 T p 의 10%인 경우 최대변조지수는 min{0.92, 0.93} = 0.93 이 될 것이다.
최대변조지수는 제2 상전류를 측정하지 않거나 또는 여분의 테스트벡터가 요구되는 영역에서 인덕턴스를 측정하지 않으므로서 증가될 수 있다. 그러나, 상기 결과로서 보인 바와 같이, 여분의 테스트벡터의 부가는 실질적인 구현을 위한 최대변조지수를 현저히 감소시키지 않는다.
단상인덕턴스 측정방식은 최대변조지수가 최대가 되게 함으로서 최고속로 연산이 이루어질 수 있도록 한다. 이는 일반적으로 정확성과 위치추정의 동적응답이 2-상 방식에 비하여 약간 떨어지도록 하나 샘플링율이 높은 경우 크게 문제가 되지 않는다.
위치측정방법
상의 인덕턴스가 알려졌을 때 회전자 위치는 등식(5(a)-(c))에 의하여 결정될 수 있다. 모든 3개의 상-인덕턴스가 동시에 측정되었을 때, 이 과정은 올바르다. 그러나, 이때에 단 둘 또는 하나의 인덕턴스가 측정될 수 있을 때, 위치의 측정을 위하여 종전의 인덕턴스값과 새로운 인덕턴스값을 조합할 필요가 있다. 이들 측정값이 조합되는 방법은 위치신호의 정확성과 다이나믹 특성에 영향을 줄 것이다.
3개의 동시 인덕턴스 측정값으로부터 위치의 결정
모든 3개의 상 인덕턴스가 동시에 측정될 때, 회전자 위치는 등식(5(a)-(c))을 동시에 풀어 직접 결정될 수 있다. 이러한 방식은 최고대역폭과 최고의 정확성을 갖는 위치신호를 제공하여야 한다.
연속인덕턴스측정값으로부터 위치의 결정
각 PWM 주기에서 단 하나 또는 두개의 인덕턴스가 측정될 때, 위치는 이러한 샘플링시간에서 측정되지 않은 사에 대한 종전의 인덕턴스측정값을 이용하여 추정될 수 있다. 도 21은 인덕턴스가 쌍으로 측정되는 상황을 보이고 있다. 시간 t2 에서 위치는 B와 C의 상 인덕턴스(LB2 및 LC2)의 전류값과 시간 t2 에서 선행 PWM 주기의 선행 샘플(LA1)으로부터의 상 A 인덕턴스의 값을 이용하여 결정될 수 있다. 종전의 상 A 인덕턴스가 시간에 따라 외삽되므로 계산된 위치에서의 오류는 작을 것이다. 그러나, 만약 한 샘플링시간 Δt 동안 회전자에 의하여 이동된 각도 Δθ가 작은 경우 위치오류 역시 작을 것이다.
도 23은 인덕턴스가 쌍으로 측정될 때 이러한 방법을 위하여 얻은 계산된 회전자 위치에서의 모사된 오류를 보이고 있다. 이를 통하여 위치오류는 전기적인 주파수의 4배에 달하는 비율로서 정현파형으로 변화함을 알 수 있다. 경험상으로 최대오류는 Δθ의 1/3 정도인 것으로 확인되었다. 추정은 전류와 종전 측정값의 조합에 기초하므로 위치신호의 대역폭은 증가된 시간지연에 의하여 3개의 동시판독값에 대한 것 보다 약간 작을 것이다.
어느 시간에 단 하나의 인덕턴스가 측정될 때, 위치는 도 22에서 보인 바와 같이 3개의 상이한 샘플링시간에서 측정된 인덕턴스로부터 계산된다. 경험적으로, 위치오류는 Δθ의 2/3 보다 약간 작으며 인덕턴스가 쌍으로 측정될 때 나타나는 오류에 대하여 거의 두배이었다.
동시에 얻은 인덕턴스측정값의 수를 줄이므로서 신호의 정확성과 대역폭을 줄일 수 있으나, 측정값을 충분히 취한 경우 신호품질의 감소는 작을 것이다.
상기 기술을 이용하여, 다른 종래의 전압인젝션기술에 의하여 얻는 것 보다 매우 빠른 속도로 위치신호를 계산할 수 있다. 따라서, 일부 적용의 경우나 구현의 경우 신호품질을 개선하기 위하여 위치신호를 여파할 수 있다. 특히, 위치신호는 보다 정확한 표시가 이루어질 수 있도록 관측자에게 전달될 수 있다.
잠재 노이즈문제
이상의 설명으로부터, 2-상 및 단상 인덕턴스 측정기술이 3-상 기술에 비하여 보다 실질적인 해결방식임을 알 수 있을 것이다. 그러나, 이들 방식을 이용하여 정확한 고대역폭 위치신호를 얻기 위하여, 2-상 기술의 두 테스트벡터 패턴(I 및 II)과 단상기술의 3개 테스트벡터(상 A, B 및 C) 사이에 신속한 교환이 이루어지도록 하는 것이 필요하다.
도 24a - 도 24d는 섹터 1에서 2-상 기술을 구현하기 위한 전형적인 PWM 패턴을 보인 것이다. 도 14a에 상응하는 도 24a에서 보인 바와 같은 패턴 I 과 도 15a에 상응하는 도 24d에서 보인 바와 같은 패턴 II을 얻기 위하여, 상 A 및 B의 파형이 아주 작은 거리(Tsd) 만큼 우측으로 이동하고 상 C의 파형은 좌측으로 상당 거리를 이동하였다. 대부분의 경우에 있어서, 이러한 불연속적인 점프는 전류의 불연속성을 유발하여 음향 노이즈의 레벨이 허용될 수 없을 정도가 되도록 한다. 따라서, 이러한 점프는 수개의 PWM 싸이클을 통하여 실행되어야 한다. 이와 같은 경우, 3-싸이클 업데이트가 이용되고 도 24b와 도 24c의 두 중간패턴이 패턴 I과 패턴 II 사이에 삽입된다. 중간패턴이 이용되는 PWM 주기중에 인덕턴스의 측정은 불가능하다. 그러나, 일반적으로 인덕턴스측정의 빈도는 대부분의 경우에 충분할 것이다.
필요로 하는 중간패턴의 수는 특별한 경우에 따라서 달라질 수 있으며, 일부의 경우에 있어서는 2 보다 현저히 큰 것이 요구될 수도 있음을 이해할 것이다. 또한 중간패턴의 이용은 단상 인덕턴스 측정을 위하여 이용될 수 있을 것이다.
다른 기술- L 0 와 ΔL 의 측정
회전자 위치를 측정하기 위한 다른 기술은 평균 및 피크 인덕턴스 파라메타 L0 와 ΔL을 아는 것을 이용한다. 만약 이들 파라메타가 알려지는 경우, 등식 7(a)-(c)으로부터 적당한 등식을 풀어 단상 인덕턴스 측정값으로부터 위치를 측정할 수 있다. 이는 매번의 샘플링시에 상이한 상의 인덕턴스를 교대로 측정하는 것 보다 동일한 상이 완전한 섹터에서 인덕턴스 측정을 위하여 이용되는 잇점이 있다. 이는 도 24a - 도 24d를 참조하여 상기 언급된 잠재성의 음향 노이즈의 문제점을 줄일 수 있도록 한다. 더욱이, 만약 인덕턴스가 쌍으로 측정되는 경우, 측정의 부정확성을 보정하기 위하여 여분의 특별한 변수를 이용하는 것이 가능하다.
이러한 방법으로 이루어지는 위치추정은 ΔL 와 L0 값의 오류에 대하여 매우 민감할 수 있다. 모터온도와 같은 요인은 연산중에 이들 값이 편류되게 하므로 온라인으로 이들 값을 추정하고 이들을 가능한 한 자주 업데이트하는 것이 좋다. 이는 상기 언급된 동일한 방법으로 별도의 상으로부터 판독되는 연속인덕턴스 판독값을 취하고 ΔL 와 L0 를 결정하기 위하여 각 상의 인덕턴스에 대한 종전측정값과 새로운 측정값의 조합을 이용함으로서 수행될 수 있다. 이를 수행하기 위한 하나의 특별히 편리한 방법은 인덕턴스를 쌍으로 측정하는 것으로, 동일한 쌍이 예를 들어 섹터 1의 전체에 대한 도 14a로부터의 패턴 I 을 이용하여 전체 섹터에서 측정된다. 하나의 섹터로부터 다음 섹터로의 천이 시에, 모든 3개의 인덕턴스가 하나의 샘플링의 최대지연시간내에서 알려져 ΔL 와 L0 이 결정될 수 있다. 주요기준은 ΔL 와 L0 가 어떠한 파라메타라도 편류될 수 있도록 충분히 업데이트되는 것이다. 요구전압이 상태벡터 다이아그램의 한 섹터로부터 다음 섹터로 이동하는 매 시간의 업데이트는 일반적으로 이를 달성하기 위하여 충분한 고속업데이트율을 제공할 것이다.
이러한 기술은 일부 자석매입형 모터설계의 경우와 같이, q-축 인덕턴스가 토크발생전류에 따라서 현저히 변화하는 모터형태에서는 성공적이지 못하다. 이 경우에 있어서, ΔL 와 L 0 의 신속한 변화가 모터 토크출력의 신속한 변화로 예상될 수 있다. 일부의 경우에 있어서, 피드퍼워드방식으로 이를 보상하기 위한 모터특성의 모델을 이용할 수 있다. 그러나, 이것이 불가능한 경우, 일반적으로는 도 21과 도 22를 참조하여 상기 언급된 방법이 적합하다.
전류변화율의 측정
여러 방법이 인덕턴스를 측정할 수 있도록 상권선에서 전류변화율(di/dt)를 측정하기 위하여 이용될 수 있다. 그 하나의 방법은 각 상권선에 전류센서를 배치하고 어느 한 순간에 전류를 측정하며 짧은 시간 이후에 이를 측정하여 차이를 계산하는 것이다. 또한 이 기술은 단일 전류센서기술에도 적합하다. 예를 들어 도 4의 실시형태에서, di/dt 센서는 삭제될 수 있고 전류의 변화율이 전류센서(34)의 다중샘플을 이용하여 측정될 수 있다. 이러한 기술의 결점은 di/dt 를 측정하기 위하여 두개의 전류측정값을 취하는데 소요되는 시간에 있다. 이는 Tsd 값이 시용할 수 없을 정도로 커지는 결과를 가져올 수 있다. 더욱이, 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 양자화한도(quantisation limits)는 마찬가지로 di/dt 신호의 해상도가 매우 낮도록 한다.
이들 문제점은 DC-링크 복귀경로에 di/dt 센서(36)를 이용함으로서 도 4의 시스템에서 극복된다. 이러한 센서는 전류변화율을 측정하기 위하여 단 한번의 샘플링 만을 필요로 하므로 T sd 를 현저히 줄일 수 있고 di/dt 신호의 해상도를 개선할 수 있다.
도 25에서 보인 다른 구성에서, 전류센서는 저항(100)과 그 출력이 이러한 저항(100)의 양단 전압과 이를 통하여 흐르는 전류에 따라 변화하는 차동증폭기(102)로 구성된다. 전류센서로부터의 신호를 미분하기 위하여 아날로그 미분기(104)가 배치된다. 그리고 미분된 전류측정신호가 디지털 제어기(106)의 별도 A/D 포트에 입력되어 전류와 전류변화율이 동시에 측정될 수 있도록 한다. 비록 미분기가 노이즈에 민감할 수 있으나 신호가 PWM 엣지 사이에서 측정되므로 변환 노이즈에 대하여 비교적 덜 민감하게 될 것이다. 더욱이, 노이즈감소는 여러 PWM 주기에서 입력을 샘플링하고 평균값을 취함으로서 달성될 수 있다.
이상으로 설명된 실시형태는 도 1에서 보인 것과 유사하게 언급된 전압인젝션기술에 역기전력관측기술을 조합함으로서 전 속도범위에서 센서없는 제어가 이루어질 수 있도록 한다. 이러한 실시형태는 특히 자동차분야에 이상적인 단일 전류-센서에 이용하기에 적합하다. 종래기술의 시스템에 DC-링크 복귀라인에 대한 단일 di/dt 센서와 마이크로콘트롤러에 ADC 포트만을 부가하는 부가적인 하드웨어만이 요구될 뿐이다. 만약 전류센서로부터의 신호를 미분하기 위하여 아날로그 미분기가 사용되는 경우, 다수의 물리적인 센서의 수가 크게 감소될 수 있다.
그러나, 본 발명은 모터의 각 상에 하나의 전류센서를 갖는 다중 전류센서형의 시스템에도 적용될 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 시스템은 단일 전류센서형 시스템에 비하여 고가이나 일부의 경우에 있어서는 우수하다.
음향성 잡음문제를 극복하기 위하여, 본 발명의 시스템은 별도의 테스트 패턴을 주입하기 위하여 PWM 을 중단하는 방법을 이용하기 보다는 PWM 패턴에 적당한 테스트 전압패턴을 결합한다. PWM 이 중단되지 않으므로 테스트 패턴에 의한 음향성 잡음은 종래의 전압인젝션 시스템에 비하여 현저히 낮다.
더욱이, 대부분의 경우, 테스트 전압이 모든 PWM 싸이클에 결합될 수 있어 상 인덕턴스가 종래의 기술 보다 보다 빈번히 측정되어 위치추정신호의 다이나믹특성을 개선한다. 또한 인덕턴스로부터 위치를 계산하기 위한 새로운 기술을 허용한다.
또한 본 발명은 동기릴럭턴스 모터와 회전자 철극성도를 갖는 인덕턴스 모터를 포함하는 다른 형태의 브러쉬리스 모터에 적용될 수 있다.

Claims (27)

  1. 복수의 상으로 구성되는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템으로서 각 상에 인가되는 상전압을 변경하도록 구성된 스위칭수단과 모터의 기계적 출력을 제어하기 위해 상전압의 PWM 제어를 제공할 수 있도록 스위칭수단을 제어하도록 구성된 제어수단을 포함하는 구동회로를 포함하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템에 있어서,
    상기 제어수단은 테스트주기를 포함하도록 PWM 전압패턴을 제어하고 상기 테스트주기 중에 적어도 하나의 상에서 전류의 변화율을 측정하며 이로부터 적어도 하나의 상의 인덕턴스를 측정함으로써 상기 모터의 회전위치를 측정하도록 더 구성되고,
    상기 제어수단은 적어도 한 쌍의 테스트주기를 정의하여 상기 한 쌍의 테스트 주기 중의 하나에서의 상전압이 상기 한 쌍의 테스트 주기 중의 다른 하나에서의 상전압과 반대가 되도록 구성되며,
    상기 제어수단은 상기 한 쌍의 테스트 주기에서 측정된 전류로부터 상기 상들 중의 하나의 인덕턴스를 결정하도록 구성되고 상기 한 쌍의 테스트 주기 모두가 동일한 PWM 주기에 제공되는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어수단은 단일의 PWM 주기에서 상기 상들 모두의 인덕턴스를 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어수단은 요구된 모터출력을 발생하기 위한 PWM 주기에서 복수의 출력발생주기 동안에 상기 스위칭수단을 복수의 도통상태로 스위칭하고 상기 테스트주기 동안에 상기 스위칭수단을 복수의 도통상태로 스위칭하도록 구성되며, 상기 테스트주기는 상기 출력발생주기와 테스트주기가 상기 PWM 주기 전체를 점하도록 하는데 충분한 길이로 되는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어수단은 단일의 PWM 주기에서 일부 상만의 인덕턴스를 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 모터는 3개의 상을 갖고 상기 제어수단은 단일의 PWM 주기에서 단 2개 상의 인덕턴스를 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 모터의 어느 위치에서라도 상기 PWM 주기가 제로전압상태를 포함하도록 인덕턴스를 측정할 수 있는 상기 3개 상으로부터 2쌍이 선택될 수 있고, 상기 제어수단은 하나의 PWM 주기에서 상기 쌍들 중 하나의 인덕턴스와, 후속하는 PWM 주기에서 다른 한 쌍의 인덕턴스를 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어수단은 연속하는 PWM 주기에서 상기 상의 쌍들 간에 인덕턴스 측정을 교번하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어수단은 어느 한 PWM 주기에서 단 하나의 상의 인덕턴스를 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  9. 제3항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어수단은 복수의 PWM 주기에서 모든 상의 인덕턴스가 측정되도록 인덕턴스가 측정되는 하나 또는 복수의 상을 변경하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어수단은 적어도 하나의 상의 인덕턴스 측정을 가능하게 하기 위해 제1 PWM 주기에서 제1 PWM 패턴과, 상기 제1 PWM 주기에서 측정되지 않은 적어도 하나의 상의 인덕턴스 측정을 가능하게 하기 위해 제2 PWM 주기에서 제2의 다른 PWM 패턴을 제공하도록 구성되고, 상기 제1 및 제2 PWM 주기 간의 PWM 주기에서 적어도 하나의 중간 PWM 패턴을 발생하도록 되며, 상기 중간 PWM 패턴은 그 형상이 상기 제1 및 제2 PWM 패턴 간의 중간인 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어수단은 상기 중간의 PWM 주기에서 상기 상들의 인덕턴스는 측정하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제어수단은 각 PWM 주기에서 상기 모터의 위치를 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어수단은 각 상에 대한 인덕턴스의 최종 측정값에 기하여 상기 모터의 위치를 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제어수단은 상기 상들 중 하나의 인덕턴스가 상기 모터의 회전 중에 발진함에 따라 이 인덕턴스의 평균값 및 피크값을 측정하고, 그 상의 순시 인덕턴스를 측정하며, 상기 인덕턴스의 평균값, 피크값 및 순시값으로부터 상기 모터의 위치를 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    한 쌍의 주전압으로부터 발생될 수 있는 모든 요구전압에 대하여 두 상의 인덕턴스가 측정되고, 다른 쌍의 주전압이 요구되어 다른 쌍의 인덕턴스가 측정되도록 요구전압이 변화하는 경우, 모든 상의 인덕턴스의 최종측정값이 상기 인덕턴스의 평균 및 피크값의 결정에 사용되는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 모터와 접지 간의 접지선에 제공되어 상기 테스트주기들 중에 상기 상들의 전류를 측정할 수 있도록 구성된 단일의 전류센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제어수단은 상기 전류센서를 이용하여 각 PWM 주기에서 두 상의 전류 크기를 측정하고 이로써 모든 상의 전류를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 테스트주기들 각각은 상기 상들 중의 하나에서 전류의 크기가 상기 전류센서에 의하여 측정될 수 있을 만큼 충분히 긴 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 제어수단은 상기 모터와 접지 간의 접지선에 제공되어 상기 테스트주기들 중에 상기 상들의 전류를 측정할 수 있도록 구성된 단일의 전류센서를 더 포함하며, 상기 제어수단은 상기 전류센서를 이용하여 각 PWM 주기에서 두 상의 전류 크기를 측정하고 이로써 모든 상의 전류를 결정하도록 구성되고,
    상기 제어수단은 상기 스위칭수단을 도통상태 및 비도통상태 간에 스위칭함으로써 발생될 수 있는 일단의 요구전압을 한정하도록 구성되고,
    상기 도통상태들 중의 적어도 하나에서 요구된 시간은 전류의 크기를 측정할 수 있는데 불충분하고, 이들 요구된 전압에 대하여 순전압이 제로인 추가 테스트주기와, 상기 상들 중의 하나에서 전류 크기가 측정될 수 있을 만큼의 충분한 길이를 부가하는데 불충분한 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 추가 테스트주기는 일부 펄스폭변조 주기에만 부가되는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 추가 테스트주기는 상기 인덕턴스측정 테스트주기 및 출력발생주기가 함께 하나의 PWM 주기 내의 상기 도통상태 및 비도통상태 각각에서 상기 상들 중의 하나에서의 전류 크기가 측정될 수 있는데 충분한 시간을 제공하지 않을 때에만 부가되는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  22. 제1항에 있어서,
    전류센서와, 상기 전류센서로부터의 출력을 미분하여 상 인덕턴스를 측정하도록 된 미분기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 단일의 전류센서가 전류의 크기와 인덕턴스의 측정을 위하여 이용되는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  24. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 상들의 전류를 측정하기 위한 복수의 전류센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 전류센서들은 상기 상 각각에 하나의 전류센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동시스템.
  26. 복수의 상으로 구성되는 다상 브러쉬리스 전기모터를 제어하기 위하여 각 상에 인가되는 상전압을 변경하도록 된 스위칭수단을 포함하는 구동회로를 포함하는 시스템에서 상기 모터의 기계적인 출력을 제어하기 위하여 상전압의 PWM 제어를 하는 스위치수단 제어를 포함하는 방법에 있어서,
    테스트주기를 포함하도록 PWM 전압패턴을 제어하는 단계와, 상기 테스트주기 중에 상기 상들의 적어도 하나의 전류변화율을 측정하는 단계와, 이로부터 상기 상들의 적어도 하나의 인덕턴스를 결정하여 상기 모터의 회전위치를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 브러쉬리스 전기모터의 구동제어방법.
  27. 삭제
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